1 引言

    高速舒適的動(dòng)車組給旅客帶來(lái)方便、快捷的同時(shí)，也向各零部件提出了更高強(qiáng)度和壽命要求。枕梁是車體底架與轉(zhuǎn)向架連接的重要部件，受力較大，承擔(dān)全車的重量，并通過(guò)心盤(pán)將重量傳給走行部，若在列車運(yùn)行中出現(xiàn)裂紋以至斷裂，將出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

    為了保證枕梁的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確提出了在滿足靜強(qiáng)度試驗(yàn)要求的同時(shí)，要滿足疲勞試驗(yàn)1000萬(wàn)次的要求。為適合城際和干線鐵路低成本、制造簡(jiǎn)單的要求，某城際動(dòng)車組采用了焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架枕梁。但在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到711萬(wàn)次時(shí)，對(duì)枕梁進(jìn)行磁粉探傷，在枕梁上蓋板折彎區(qū)域距外邊緣約110mm處出現(xiàn)了10mm長(zhǎng)度左右的裂紋。

圖1 枕梁裂紋

2 裂紋原因分析

    2.1 枕梁材料原因分析

    枕梁采用鑄件與鋼板組合焊接而成，枕梁兩側(cè)端部為鑄件，所用材料為G20Mn5，機(jī)械性能參考《EN10213-3-1996耐壓鑄鋼件供貨條件第三部：低溫下使用的鋼》；枕梁中部采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，鋼板材料為Q345E，機(jī)械性能參考《GB/T 1591-2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》。

    枕梁試驗(yàn)結(jié)束后，切割了裂紋區(qū)域部分材料進(jìn)行了材料力學(xué)性能、工藝性能檢測(cè)和化學(xué)成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鑄鋼件中S、P含量比標(biāo)準(zhǔn)中略高，對(duì)材料的焊接性能造成一定影響，另外由于未提前對(duì)枕梁進(jìn)行射線探傷，不能確定深層材料中是否存在微裂紋。

    2.2 仿真計(jì)算原因分析

    完成轉(zhuǎn)向架枕梁三維設(shè)計(jì)之后，為了滿足結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性，采用有限元法，應(yīng)用大型通用工程仿真分析軟件ANSYS-Workbench，對(duì)枕梁進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。枕梁的剛度用其在剛度工況下枕梁的垂向變形值來(lái)校核，計(jì)算得到枕梁的變形最大值約為0.31mm，位置為枕梁端部。見(jiàn)圖2。

圖2 剛度工況下枕梁的變形云圖

    枕梁各計(jì)算工況的最大當(dāng)量應(yīng)力出現(xiàn)部位及相應(yīng)的許用應(yīng)力如表1所示，圖3、圖4為超常載荷及運(yùn)營(yíng)載荷工況下轉(zhuǎn)向架枕梁的應(yīng)力云圖。

表1 枕梁各載荷作用下的分析結(jié)果表（MPa）

    計(jì)算結(jié)果表明：

圖3 超常載荷工況1下枕梁的應(yīng)力云圖

圖4 運(yùn)營(yíng)載荷工況1下枕梁的應(yīng)力云圖

    由表1和圖2、3、4可看出，在各載荷工況作用下，枕梁上的最大當(dāng)量應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，雖滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，但最大應(yīng)力仍較高，且上蓋板與下蓋板組成比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板折彎處變形較大，適配座與中間箱型結(jié)構(gòu)比較剛度不協(xié)調(diào)，造成上蓋板拉應(yīng)力較大。

    2.3 工藝因素

    對(duì)材料進(jìn)行了化學(xué)成分檢測(cè)之后，對(duì)焊縫也進(jìn)行了檢測(cè)，焊縫存在微裂紋，焊縫也存有少量缺陷。

    2.4 試驗(yàn)因素

    枕梁出現(xiàn)裂紋后對(duì)疲勞試驗(yàn)工裝進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)某螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象，在試驗(yàn)時(shí)易導(dǎo)致枕梁發(fā)生較大振動(dòng)。

3 枕梁優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

    3.1 對(duì)枕梁料進(jìn)行嚴(yán)格控制

    首先對(duì)新枕梁原材料進(jìn)行了多項(xiàng)材料性能檢測(cè)及射線探傷，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了分析，均無(wú)問(wèn)題后，開(kāi)始進(jìn)行加工。每項(xiàng)加工工藝完成后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷或磁粉探傷檢查。

    3.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

    改變?cè)�枕梁為上蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)，改為下蓋板與筋板相連的結(jié)構(gòu)。首先利用Ansys軟件進(jìn)行了剛度計(jì)算：優(yōu)化后的枕梁剛度比原枕梁剛度更為協(xié)調(diào)。

圖5 優(yōu)化后的枕梁剛度工況下的變形云圖

    后進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算得到了較為理想的結(jié)果：優(yōu)化后枕梁在超常載荷工況作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力值為175.1MPa，運(yùn)營(yíng)載荷工況作用下，最大當(dāng)量應(yīng)力值為101.6MPa，比原枕梁的最大應(yīng)力值小了約1/3。

圖6 運(yùn)營(yíng)載荷工況2下枕梁的應(yīng)力云圖

    3.3 工藝優(yōu)化

    考慮到在加工枕梁上蓋板的折彎時(shí)，枕梁材料內(nèi)部容易出現(xiàn)微裂紋等多重因素，取消了枕梁上蓋板的折彎，降低了工藝難度，同時(shí)在對(duì)新枕梁進(jìn)行焊接時(shí)，嚴(yán)格控制焊接工藝，焊后進(jìn)行了探傷檢查。

圖7 原結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

    3.4 試驗(yàn)優(yōu)化

    在對(duì)新枕梁試件進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞試驗(yàn)期間，多次檢查試驗(yàn)狀況，保證試驗(yàn)期間試驗(yàn)臺(tái)及其工裝無(wú)問(wèn)題，無(wú)螺絲松動(dòng)，保證了測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。

圖9 枕梁靜強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)臺(tái)

4 結(jié)論

    從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)各個(gè)方面對(duì)枕梁出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析，并有針對(duì)性的對(duì)枕梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用ANSYS軟件驗(yàn)證新枕梁滿足強(qiáng)度及疲勞標(biāo)準(zhǔn)要求后進(jìn)入采購(gòu)生產(chǎn)制造周期，在關(guān)鍵階段對(duì)物料和焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)，保證了新枕梁的生產(chǎn)質(zhì)量。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化方案，在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中新枕梁的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，且在1000萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)未出現(xiàn)裂紋，順利的通過(guò)了型式試驗(yàn)。 

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本文標(biāo)題：基于仿真試驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)車組枕梁裂紋原因分析及改進(jìn)

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